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应用百花齐放 3D打印引领定制化浪潮

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3D打印的发展空间相当高,随着机台价格的下跌,未来的应用将更多。DIGITIMES摄
3D打印的发展空间相当高,随着机台价格的下跌,未来的应用将更多。DIGITIMES摄

3D打印的快速制造特色,将取代传统制造业的部分市场,成为少量多样应用领域中首要制造技术。美国3D System公司在1987年生产出第一台光固化成型的积层制造设备SLA250,揭开了3D打印的序幕,此一技术是利用雷射照射紫外线感液体聚合物,使其薄层发生固化,这是全球第一个可实际应用于商业生产的3D打印装置。

没多久,日本也有所动作,日本的CMET与Sony/D-MEC分别在1988年和1989年,将立体光固化技术以另外的形式商业化,德国光电公司EOS在1990年卖出了他们第一套立体光固化系统,1991年后,又有3项快速成型制造技术投入商业生产,分别是Stratasys公司的溶化成型制造、Cubital公司的立体固化技术和Helisys的叠层式制造,但Cubital与Helisys如今都已不在业界,由此可见3D打印的市场竞争之激烈。

90年代之后,3D打印的发展开始加速,产业与学界都陆续研发出新技术,不但有新材料,而且新装置也快速出现,尤其从2008年开始,3D列表机的价格,随着新产品的问世不断下滑,牙医市场此时开始大量应用3D打印,直接金属烧结?熔融在生物医学和航太市场,一直被视为可行度极高的技术,之后3D打印的应用与创意,可说是遍地开花,目前在工业设计、医疗、首饰、航太等产业,3D打印都已交出亮眼成绩。

工业设计

积层制造最初被称为快速原型制造,其目的就是快速生产出零件的原型,许多日常生活的新产品,急需快速获得显示外观或包含部分功能的原型,投放到市场接受检验,3D打印与工业设计的结合,正可填补厂商在此环节的缺憾。

3D打印的优势在于不需要工厂进行设计与制造,就可快速打印出设计者精巧缜密构思的制件,从小零件、小物品至汽车车身、引擎等大物件,乃至于整车模型,都可快速完成。

由于打印精度高,打印出来的模型,除可表现出外型曲线、曲面的光滑平顺,零件的精细结构与运动套件的接合部位也可完全展现,如果打印出3D的机械装配图,则齿轮、轴承、拉杆等都可正常活动,而腔体、沟槽等型态特徵位置足够准确,可以满足装配要求。

2013年的移动世界大会(MWC)中,Nokia就展出利用3D打印所制作的Lumia手机外壳,后来Nokia又进一步发布了Lumia 820的3D打印开发套件,让Lumia手机使用者可以自主使用3D打印机制作手机外壳。另外,大陆已有多家3D打印厂商为多款手机提供外壳设计的打印服务,让消费者可以自行设计制造个性化造型。

首饰业

首饰制造业的原模制作,长年以来都是使用手动起版方式,不但耗工耗时,技术过难的设计,常会遇到找不到设计师的窘境。由于手动绘制的手势设计草稿常常不会、也不可能在所有部位标记精确尺寸,许多部位(尤其是关节部位的尺寸和比例)常常是设计师在深入揣摩和感受设计图样时,结合个人体验和经验进行实际版样的制作,因此必然存在一定的主观误差。

但在3D打印中,由于设计图样由3D轮廓数据组成数据阵列,因此制造首饰的原版,不仅精度更高,而且也更忠实于原设计者的意图,降低设计师的工作难度和成本,同时也加快上市速度。

以戒指设计为例,使用3D打印的的步骤如下:1.购买者从店家的目录中挑出属意的戒指图样;2.厂商根据购买者的选择,把戒指图样转为3D数据,并将数据进一步转换成数码图样,让使用者精确确定戒指的各种细节;3.厂商会与购买者充分互动,就3D打印制造技术与工艺流程深入讨论,直到购买者满意为止;4.双方谈定戒指价格,签订合约;5.利用3D打印技术制造出戒指原型;6.利用精密铸造制程,经过复杂且多工序的后制过程完成戒指。

由戒指的制程工序来看,3D打印在定制化需求极高的首饰业应用十分合宜,与其他应用相较,首饰品的精度并不高,目前各类3D打印技术均可作到,不过虽然精度需求不高,但「精致度」要求却远比其他应用高出一节,因此首饰业者应用3D打印时,必须与后端工序如打磨、抛光结合,方能符合购买者所需。

生物医学

3D打印在生物医学领域的应用,主要包括体外医疗模型与医疗器械定制化制造、永久植入物定制化制造、组织工程支架积层制造、细胞积层制造等4部分。

体外医疗模型与医疗器械是以CT、MRI等生物医学影像,产生积层制造用CAD模型,应用于外科整形、手术规划和定制化假肢设计等领域;永久植入物定制化制造,则是以仿生为基础的多尺度生物复杂结构设计,制造出可植入人体的替代和修复体;组织工程支架积层制造,为人体组织支架(Tissue Scaffolds)和类别组织结构(Tissue Precursor)的生物制造技术;细胞积层制造,是利用积层制造技术制造定制化且具功能性的人工器官与组织。

这4大应用中,体外医疗模型与医疗器械定制化制造,是3D打印目前在生物医学领域中最成熟的应用,此应用积层制造的零件无须植入体内,所用的材料不需考虑生物兼容性的问题,而体外医疗器械一般也只考虑所用材料的力学和理化效能。目前美国已将此应用纳入医疗保险范围,特别在大型或高风险手术,体外模型已经成为正常手术步骤,医生需透过此步骤进行手术规划,并与其他医师讨论手术相关的重要问题。

航太领域

3D打印具有无模具、快速、自由成型的制造特色,对航太制造业带来相当大的冲击,航太领域的产品要求使用寿命长、可靠度高、环境适应力强,同时又要能满足高强度、轻量化的需求,因此结构通常都较为复杂,对金属材料加工技术的要求也越来越高,这也使得航太产品的研发制造周期都较长。

3D打印的出现,特别是高性能金属零件直接以积层技术制造的特点,让航太产品从设计、模型、原型开发、零件生产和产品测试,都有了新的技术途径和思维,使其产品研发和生产周期大为缩短。

以空心涡轮叶片为例,空心涡轮叶片是高性能航空引擎的核心零件,传统的制造方式为精密铸造,加工工序相当复杂,从草稿到成品,一般要经过40?60个工序,多工序造成产品良率降低。

而采用3D打印的雷射成型技术,可直接制造涡轮叶片,良率也相当高,与铸造叶片相比,其零件效能也获得改善。目前美国太空总署(NASA)已计划2017年时,开始使用3D打印技术制造用于太空站的部分零件。

3D打印冲击中小企业

除上述发展较为成熟的领域外,3D打印在文创、家电、服饰,甚至是食物方面,都已有所进展,虽然多数案例都仍处实验阶段,商用化还要等一段时间,不过由此已可看出此一技术的发展性。

根据研究机构Gartner的预估,2015年3D打印机的价格将会开始下跌,3D打印或许不会普及到每个家庭中都有一台,但无疑将冲击现有制造产业,尤其是少量多样的定制化设计。

由于台湾制造业以中小企业为主,而中小企业向来倚靠高弹性、少批量的准定制化制造为市场竞争力,因此面临3D打印,所受的影响也会最大,如何因应此一浪潮,调整自己脚步,台湾厂商必须深思。